新能源汽车技术如何突破技术壁垒？新能源汽车试验台测控系统研究

文丨可依说

编辑丨可依说

新能源汽车可以缓解环境和能源压力，促进汽车行业的快速升级和转型，并对中国的技术经济和环境改善产生重大影响。

但目前，我国新能源汽车技术仍处于起步阶段，整车及零部件发展仍存在瓶颈。如何突破技术壁垒，研究新技术，成为新能源汽车进入市场的关键因素。

在此基础上，本文搭建了一个新能源汽车实验平台，并开发了一个基于Lab VIEW的实时在线多通道数据采集与分析系统。

结合D2P Moto Hawk开发平台，实现了测试平台的电子控制。测控系统的最终开发实现了测试台的动态监控、故障报警和关键部件的控制

前言

新能源汽车的产生极大地提高了清洁能源的使用效率，有效地保护了环境。

根据相关调查，在正常情况下，内燃机的燃油效率为38%，新能源汽车的产生有效地改变了能源利用率低的问题。以电动汽车为例，它的出现将电池能源发展到了汽车中。功率，有效提高配电效率、放电效率和能源利用率。

目前，我国对新能源汽车的研究仍处于起步阶段，无论是新能源汽车技术的理论研究，还是新能源汽车理论研究，都还不先进，建立了一套高水平的全新能源汽车试验台体系。技术成果的推广具有重要意义。

新能源汽车试验台的研发有利于提高我国新能源汽车及关键零部件的整体试验水平，有利于制定和完善新能源汽车的试验标准，建立相对完整的新能源汽车及其零部件试验以及评估系统。

新能源汽车试验台的最终建立，可以直接对新能源汽车的关键部件和车辆性能进行调试和测试，降低新能源汽车研发的风险和成本，推动我国新能源汽车解决能源问题的发展战略，环境和气候问题很重要。

本文以电动汽车作为新能源汽车为例，对新能源汽车试验台测控系统的研发进行了分析和阐述。

新能源汽车试验台的基本结构

新能源汽车试验台系统由机械部件和测控系统两部分组成。新能源汽车试验台是一个复杂的系统，不仅需要模拟新能源汽车的不同工况和工作模式，还可以对新能源汽车关键部件进行测试。

试验台建设的目标是一个能够完全实现新能源汽车测试的平台，包括为混合动力汽车、纯电动汽车和燃料电池等混合动力汽车开发和测试混合动力驱动系统和混合动力制动系统等核心底盘控制技术。

试验台由控制器、发动机、开关磁阻电机、电源、电磁离合器、自动变速器、车轮、ABS制动器、齿轮减速器、直流功率测功机、惯性飞轮和传感器组成。机械部件的具体布置如图所示。

新能源汽车试验台结构

LabVIEW用于调用DLL（Dynamic Link Library，动态链接库），实现直流功率测功机与工业计算机之间的CAN通信，实现车辆行驶载荷的台架仿真。

参考SAE J1939、电动汽车非车载导电充电器和电池管理系统通信协议[6]，并结合测试台控制器的实际情况，测试站节点源地址定义如上图所示。

其中，新定义的节点地址是从SAE J1939标准中保留的，作为未来道路设备的自配置节点地址空间。

测试台的每个设备采用CAN总线、485总线和232总线等不同的通信方式，在测试台的运行过程中，除了通过通信获取每个设备的实时运行数据外，还需要实时采集电机转速和电机转数。

力矩、驱动电机输入电压、输入电流和电机定子温度等信息。为此，开发了一种基于CAN总线的信息采集与通信转换信息单元。

其中，测功机控制系统（485通信）和电机控制器测试电源（232通信）共用一个信息单元；电池管理系统（485通信）和智能放电表（232通信）共享一个信息单元。

仪器（232通信）和测试台数据采集单元使用一个信息单元；车辆控制器、电机控制器和充电器等设备已通过CAN总线通信进行控制，可以直接使用。

工业计算机通过CAN卡作为CAN节点实现数据的集中采集和试验台系统的控制。

试验台工作原理

新能源汽车试验台的电源包括开关磁阻电机、电源和发动机。动力驱动系统通过控制两个电磁离合器实现动力源的单独输出或两个动力源的复合输出。传动系统为自动变速器和减速器，其控制器设置在测量台上。

制动系统由ABS和电机制动器实现。驱动负载通过直流功率测功机的负载来实现。整车的惯性由两组惯性飞轮模拟。

控制系统通过工业计算机和D2P向每个控制器发送控制命令，控制器完成对执行机构的控制。在测试过程中，数据采集系统在线显示每个部件的运行状态并存储数据。模拟车辆试验如图所示。

驾驶员根据测试要求通过电子油门踏板和制动踏板输入驾驶员信号。在控制系统接收到该信号之后，执行扭矩分配。

油门执行器和马达油门用于控制发动机和马达的扭矩输出。动力通过变速器和减速器等传动系统传递到车轮上。测量和控制系统收集车轮速度以计算所需的行驶速度。

电阻通过USBCAN卡传输到直流功率测功机控制器，用于驱动电阻的自动加载，并通过不同的飞轮组合模拟车辆惯性。制动时，制动踏板和电机一起实现再生制动，电机回收制动能量反馈电源，以此类推，直到制动结束。

试验台控制系统设计

1.发动机节气门控制

节气门执行器采用PID控制方案。模拟输入通道采集节气门执行器的位置信号转换为0~5V电压信号，并与电子油门踏板的位置进行比较，以获得偏差。

当偏差小于稳态误差时，节气门执行器控制完成。当偏差大于稳态误差时，PID控制器立即产生控制动作，根据设定的调谐参数进行调整，并控制PWM输出以控制节气门驱动电机的旋转，从而减少偏差并稳定系统。

LabVIEW在操作过程中的数据采集和存储。

2.转向功能仿真

转向系统对车辆操纵稳定性有着极其重要的影响。具有四轮独立驱动和四轮独立转向的电动汽车（4WID-4WIS）已成为未来汽车研究的热点之一。

电动车轮综合性能试验台具有转向模拟功能是非常必要的，但国内外开发的试验台很少具有此功能。该试验台不仅具有在转向过程中任意设置转向角的功能，还可以设置电动车轮在转向时不同侧向力的动态横向加载功能。

3.制动模拟功能

电动车轮的优点之一是可以利用电机的特性进行再生制动。汽车制动系统关系到汽车的安全。

开发的试验台应具有制动模拟功能。制动模拟应包括机械制动模拟、电制动模拟以及电制动和机械制动耦合模拟功能。同时，可以进行电动制动器和机械制动器耦合防抱死制动器的模拟试验。

4.轮毂电机性能测试功能

轮毂电机是电动汽车的关键部件，其性能直接决定电动汽车的性能。因此，轮毂电机的机械特性和效率特性的性能测试至关重要。

不仅如此，该试验台还可以测试最大功率和额定功率、最大转矩、额定转矩、最大转速、额定转速、最大电流、额定电流、转动惯量、时间常数、转矩常数等基本参数。该试验台具有测试轮毂电机性能特性和基本参数的功能。

5.电磁离合器的控制

电磁离合器由数字控制开关分离和闭合。LabVIEW使用捕获卡DO输出数字信号控制开关，如图所示。PCI-1716数据采集卡提供两个端口。通过配置DIO写入位功能信息，可以控制离合器的数字信号输出。

6.龙门架运行阻力仿真

进行台架试验时，驱动轴的转速由转速-扭矩传感器采集，转换后可以计算出相应的车轮转速。另一个运行阻力由以下公式得出

其中G表示车辆重力（N）；f表示滚动阻力系数； 表示道路坡度角（°）；DC表示空气阻力系数；A表示迎风面积（m2）；au表示车速（km/h）。

在台架试验过程中，测控系统实时监测驱动轴的转速并将其转换为车轮转速，计算出应施加的理论驱动转矩，并通过USBCAN将其发送至电动测功机控制单元，以实现驱动阻力的实时加载。

动态模拟汽车行驶负载的用途。通过调用Matlab脚本节点，利用Matlab强大的计算功能，计算出驱动阻力扭矩，并将其发送到测功机，模拟龙门架驱动载荷。

实际应用

以智能放电仪为控制对象，进行了动力电池组放电测试，以评估和验证基于CAN总线的数据采集与控制系统的应用效果。为了模拟车辆使用时动力电池组的放电状态，基于纯电动公交车的实际运行数据设置放电电流。

对BWC6100BEV型12米长纯电动客车的纯电动客车速度、驱动电机速度和动力电池组总电流数据进行了整车试验。当空调打开时，纯电动公交车实际运行1600秒，实际车辆数据以2Hz的频率收集。曲线如下图所示。

使用LabVIEW测量和控制系统进行数据采集、监测和存储。连接设备后，调整节气门执行器位置，并切换到初始位置以开始测试。

打开D2P电源开关，将驱动器下载到D2P ECU，并使用Moto Tune进行校准，以观察电压随动情况。通过测试校准确定的PID参数为KP=2.8、KI=1.5和KD=0.01。

从测试结果和示波器监测比较来看，传感器电压、扭矩和速度信号采集正常，均在传感器扭矩和速度精度范围内。

测功机恒定功率模式正常加载。当调整时间为20s时，测功机加载模式为阶梯式。因此，在台架试验过程中应尽可能减少调整时间，以满足对行驶载荷的实时控制。

结论

基于虚拟仪器LabVIEW开发平台，多通道实时动态数据采集与分析系统实现了数据采集、波形显示、数据存储、信号处理和历史数据回放。

并通过实验证明，该数据采集系统能够准确地获取数据信息，起到动态监测、分析、故障报警等功能。

在LabVIEW环境下，基于D2P，实现了发动机、电机、电磁离合器和电力测功机电控和驱动负载的龙门仿真。最后，开发了测控系统的界面和应用程序，通过界面可以快速直观地显示。

台架试验验证了控制系统的可靠性。

参考文献：

1、张冠哲，宋大伟。新能源汽车试验台测控系统的研制。《机械设计与制造》，第11卷（2014）第15期。

2、孙苏华，陈飞。新能源客车电机测控试验台的设计。《汽车与配件》，第3卷（2012年）第7期。

3、宗长赋、朴伟琪、宋攀等，基于LabVIEW的全控制纯电动汽车测控平台的开发。《汽车技术》。

4、舒洪宇、吴碧华、郑国章。汽车零部件检测通用测控平台的设计与实现。重庆大学学报（自然科学版），第9卷（2006）第29期。

5、李中立、严一芳、史微微。汽车底盘测功机快速控制原型测控平台的设计。《机械设计与制造》，第4卷（2018）第1期。

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